Investigation of the effect of the distribution function used in the calculation of the standardized precipitation index and the drought characteristics

Year 2021, Volume: 11 Issue: 3, 828 - 844, 15.07.2021

Okan Mert Katipoğlu , Reşat Acar

https://doi.org/10.17714/gumusfenbil.900408

Cited By: 3

Abstract

The type and structure of rainfall varies according to various parameters such as altitude, geographical formations, vegetation, sea currents, proximity and distance to the sea. Thus, it is very difficult to explain precipitation data with a single distribution. In the study, Standardized Precipitation Index (SPI) values were obtained by fitting Gamma, Lognormal, Generalized Extreme Value (GED), Weibull, Normal, Logistic, Loglogistic distributions to the precipitation data. It is aimed to compare the drought characteristics obtained by applying run theory to these SPI and Gamma SPI values. Kolmogorov-Smirnov (K-S), Anderson-Darling (A-D) and Chi-square (χ2) tests and graphical methods were used to determine the probability density function that best fits the precipitation data. As a result of the analysis, it was specified that the GED distribution represented the precipitation in the Euphrates Basin better than the Gamma distribution and that there was an average deviation of 2% in the calculated SPI values. In addition, severe and prolonged droughts are remarkable in the Basin. For this reason, it is necessary to take drought measures in the basin, to develop and continuously implement drought reduction strategies, to save water, to protect groundwater that serves as insurance in dry periods, to modernize irrigation systems and to take precautions against climate change.

Keywords

Distribution function, Drought characteristics, Theory of Runs, Standardized Precipitation Index (SPI), Goodness of fit test

Standartlaştırılmış yağış indeksi hesabında kullanılan dağılım fonksiyonu etkisinin ve kuraklık karakteristiklerinin araştırılması

Abstract

Yağışın tipi ve yapısı; yükseklik, yer şekilleri, bitki örtüsü, deniz akıntıları, denize yakınlık ve uzaklık gibi parametrelere göre değişiklik göstermektedir. Bu nedenle yağış verilerinin tek bir dağılım ile ifadesi oldukça zordur. Yapılan çalışmada yağış verilerine hidrolojide sıkça kullanılan Gamma, Lognormal, Genelleştirilmiş Ekstrem Değer (GED), Weibull, Normal, Lojistik, Loglojistik dağılımları uydurularak elde edilen Standartlaştırılmış Yağış İndeksi (SYİ) ve Gamma SYİ değerlerinin hesaplanması ve bu değerlere run teorisi uygulanarak elde edilen kuraklık karakteristiklerinin karşılaştırılması amaçlanmıştır. Yağış verilerine en iyi uyan olasılık yoğunluk fonksiyonunun belirlenmesinde Kolmogorov-Smirnov (K-S), Anderson-Darling (A-D) ve Ki-kare (χ2) testleri ve grafiksel metotlar kullanılmıştır. Analizler sonucunda, Fırat havzasındaki yağışları GED dağılımının, Gamma dağılımından daha iyi temsil ettiği ve hesaplanan SYİ değerlerinde ortalama %2 sapma meydana geldiği tespit edilmiştir. Ayrıca havzada şiddetli ve uzun süreli kuraklıklar dikkat çekmektedir. Bu sebeple havzada kuraklık önlemlerinin alınması, kuraklık azaltma stratejilerinin geliştirilmesi ve sürekli bir şekilde uygulanması, su tasarrufunun sağlanması, kurak dönemlerde sigorta görevi gören yeraltı sularının korunması, sulama sistemlerinin modernleşmesi ve iklim değişikliğine karşı tedbirlerin alınması gerekmektedir.

Keywords

Dağılım fonksiyonları, Kuraklık karakteristikleri, Runs teorisi, Standartlaştırılmış Yağış İndeksi (SYİ), Uygunluk testleri

References

• Adamson, P. (1979). Probability distributions of best fit to South African flood data. Water SA, 5(2), 70-76.
• Angelidis, P., Maris, F., Kotsovinos, N. and Hrissanthou, V. (2012). Computation of drought index SPI with alternative distribution functions. Water Resources Management, 26(9), 2453-2473. https://doi.org/10.1007/s11269-012-0026-0
• Bayazıt, M. ve Oğuz, B. (1994). İstatistik. Birsen Yayınevi, İstanbul, 211s.
• Bacanlı, Ü. G. ve Kargı, P. G. (2019). Uzun ve kısa süreli periyotlarda kuraklık analizi: Bursa örneği. Doğal Afetler ve Çevre Dergisi, 5(1), 166-174. https://doi.org/10.21324/dacd.429391
• Blain, G. C. and Meschiatti, M. C. (2015). Inadequacy of the gamma distribution to calculate the Standardized Precipitation Index. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, 19(12), 1129-1135. https://doi.org/10.1590/1807-1929/agriambi.
• Edwards, D. C. (1997). Characteristics of 20th century drought in the United States at multiple time scales. Air force inst of tech wright-patterson afb oh.
• Guttman, N. B. (1999). Accepting the standardized precipitation index: a calculation algorithm 1. JAWRA Journal of the American Water Resources Association, 35(2), 311-322. https://doi.org/10.1111/j.1752-1688.1999.tb03592.x
• Gümüş, V., Başak, A. ve Oruç, N. (2016). Standartlaştırılmış yağış indeksi (SYİ) yöntemi ile Şanlıurfa istasyonunun kuraklık analizi. Harran Üniversitesi Mühendislik Dergisi, 1(1), 36-44.
• Güngen, Y. (2019). Standart yağış indisi (SYİ) ile Güneydoğu Anadolu Bölgesinde kuraklık analizi. Yüksek Lisans Tezi. Manisa Celal Bayar Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Manisa.
• İçel, G. (2014). Mersin'de meteorolojik ve hidrometeorolojik afetler. Electronic Turkish Studies, 9(11), 263-282.
• Kapluhan, E. (2013). Türkiye’de kuraklık ve kuraklığın tarıma etkisi. Marmara Coğrafya Dergisi, (27), 487-510.
• Karahan, H. ve Özkan, E. (2013). Ege bölgesi standart süreli yıllık maksimum yağışları için en uygun dağılımlar. Pamukkale University Journal of Engineering Sciences, 19(3). https://doi.org/10.5505/pajes.2013.29392
• Küçükyaman, D. (2010). Kovada Gölü’nün hidrolojik ve meteorolojik kuraklık analizi, Yüksek Lisans Tezi, Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Isparta.
• Liu, H. and Setiono, R. (1995). Chi2: Feature selection and discretization of numeric attributes. Paper presented at the Proceedings of 7th IEEE International Conference on Tools with Artificial Intelligence. https://doi.org/10.1109/TAI.1995.479783
• López-Moreno, J. I. and Vicente-Serrano, S. M. (2008). Positive and negative phases of the wintertime North Atlantic Oscillation and drought occurrence over Europe: a multitemporal-scale approach. Journal of Climate, 21(6), 1220-1243. https://doi.org/10.1175/2007JCLI1739.1
• Lorenzo-Lacruz, J., Vicente-Serrano, S. M., López-Moreno, J. I., Beguería, S., García-Ruiz, J. M. and Cuadrat, J. M. (2010). The impact of droughts and water management on various hydrological systems in the headwaters of the Tagus River (central Spain). Journal of Hydrology, 386(1-4), 13-26. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2010.01.001
• Maden, T. E. ve Kiliç, S. (2012). Irak'ta su kaynakları sorunu ve yönetimi. Middle Eastern Analysis/Ortadogu Analiz, 4(43), 84-97.
• McKee, T. B., Doesken, N. J. and Kleist, J. (1993). The relationship of drought frequency and duration to time scales. In Proceedings of the 8th Conference on Applied Climatology, 17(22), 179-183.
• Naresh Kumar, M., Murthy, C. S., Sesha Sai, M. V. R. and Roy, P. S. (2012). Spatiotemporal analysis of meteorological drought variability in the Indian region using standardized precipitation index. Meteorological Applications, 19(2), 256-264. https://doi.org/10.1002/met.277
• Oğuztürk, G. (2010). Kızılırmak Havzası'nda SYİ ile kuraklık analizi ve YSA yöntemi ile kuraklık tahmini. Yüksek lisans Tezi, Kırıkkale Üniversitesi, Kırıkkale.
• Oruç, N. (2017). Güneydoğu Anadolu Bölgesinin kuraklık analizi. Yüksek Lisans Tezi. Pamukkale Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü. Pamukkale.
• Özcan, O., Musaoğlu, N., Bookhagen, B. ve Örmeci, C. (2013). Uydu ve yersel yağış verilerinin noktasal frekans analizi ile mekansal değerlendirmesi. TMMOB Coğrafi Bilgi Sistemleri Kongresi, Ankara.
• Özcan, O., Bookhagen, B. ve Musaoğlu, N. (2017). Ekstrem yağış olaylarının Fırat Havzası’ndaki hidrolojik bileşenlerin yıllar arası değişimi üzerine etkisi. Ege Coğrafya Dergisi, 26(1), 35-47.
• Özfidaner, M. ve Topaloğlu, F. (2020). Standart yağış indeksi yöntemi ile Güneydoğu Anadolu Bölgesinde kuraklık analizi. Toprak Su Dergisi, 9(2), 130-136. https://doi.org/10.21657/topraksu.767002
• Öztürk, K. (2002). Küresel iklim değişikliği ve Türkiye'ye olası etkileri. Gazi Üniversitesi Gazi Eğitim Fakültesi Dergisi, 22(1), 47-65.
• Pamuk, G., Özgürel, M. ve Topçuoğlu, K. (2004). Standart yağış indisi (SPI) ile Ege bölgesinde kuraklık analizi. Ege Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi, 41(1), 99-106.
• Shadeed, S. and Almasri, M. (2007). Statistical analysis of long-term rainfall data for a Mediterranean semi-arid region: a case study from Palestine. In Sustainable Development and Management of Water in Palestine, International Conference on Palestine Water, Amman, Jordan.
• Sırdaş, S. ve Şen, Z. (2010). Meteorolojik kuraklık modellemesi ve Türkiye uygulaması. İTÜ dergisi, 2(2), 95-103.
• Sienz, F., Bothe, O. and Fraedrich, K. (2012). Monitoring and quantifying future climate projections of dryness and wetness extremes: SPI bias. Hydrology and Earth System Sciences, 16(7), 2143-2157. https://doi.org/10.5194/hess-16-2143-2012
• Stagge, J. H., Tallaksen, L. M., Gudmundsson, L., Van Loon, A. F. and Stahl, K. (2015). Candidate distributions for climatological drought indices (SPI and SPEI). International Journal of Climatology, 35(13), 4027-4040. https://doi.org/10.1002/joc.4267
• Shukla, S. and Wood, A. W. (2008). Use of a standardized runoff index for characterizing hydrologic drought. Geophysical research letters, 35(2). https://doi.org/10.1029/2007GL032487
• Topçu, E. ve Karaçor, F. (2021). Erzurum istasyonunun standartlaştırılmış yağış evapotranspirasyon indeksi ve bütünleşik kuraklık indeksi kullanılarak kuraklık analizi. Politeknik Dergisi. 24(2), 565-574. https://doi.org/10.2339/politeknik.682168
• Temel, İ. (2019) Gediz Havzasında kuraklık analizi, Yüksek Lisans Tezi, Ege Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İzmir.
• Tosunoğlu, F. (2014). Türkiye’deki meteorolojik ve hidrolojik kuraklıkların atmosferik salınımlarla olan ilişkilerinin incelenmesi. Doktora Tezi. Atatürk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Erzurum.
• Wu, H., Hayes, M. J., Weiss, A. and Hu, Q. (2001). An evaluation of the Standardized Precipitation Index, the China Z Index and the statistical Z Score. International Journal of Climatology: A Journal of the Royal Meteorological Society, 21(6), 745-758. https://doi.org/10.1002/joc.658
• Wu, H., Hayes, M. J., Wilhite, D. A. and Svoboda, M. D. (2005). The effect of the length of record on the standardized precipitation index calculation. International Journal of Climatology: A Journal of the Royal Meteorological Society, 25(4), 505-520.
• Wu, H., Svoboda, M. D., Hayes, M. J., Wilhite, D. A. and Wen, F. (2007). Appropriate application of the standardized precipitation index in arid locations and dry seasons. International Journal of Climatology: A Journal of the Royal Meteorological Society, 27(1), 65-79. https://doi.org/10.1002/joc.1371
• Yeğnidemir, K. (2005). İç Anadolu Bölgesi’nin standartlaştırılmış yağış indisi (SYİ) metodu ile kuraklık analizi, Yüksek Lisans Tezi, Kırıkkale Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Kırıkkale.
• Yevjevich, V. M. (1967). Objective approach to definitions and investigations of continental hydrologic droughts, An. Hydrology papers (Colorado State University); no. 23.
• Yüce, M. İ. ve Eşit, M. (2020). Ceyhan havzasının kuraklık risk haritasının SPI ve SPEI metotları ile belirlenmesi. Su Kaynakları, 5(2), 24-33.
• Yıldırım, A. (2006). Karakaya baraji ve doğal çevre etkileri. Dicle Üniversitesi Ziya Gökalp Eğitim Fakültesi Dergisi, 6, 32-39.